极端温度条件下桥隧过渡段无缝线路稳定性分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无缝线路稳定性分析技术，尤其是极端温度条件下桥隧过渡段无缝线 路稳定性分析方法。
【背景技术】
[0002] 目前我国青藏和黑龙江等极端温度条件地区往往采用有砟轨道无缝线路。线路通 过复杂地形地质区域时，桥梁与隧道之间常通过超短路基相连，无缝线路-桥梁-路基-隧 道构成了统一的整体。在寒潮、持续高温、以及昼夜温差较大的情况下，钢轨承受着极大的 轴力。一方面，桥梁在温度的作用下发生伸缩变形，引起桥梁与轨道之间的非线性相互作 用。另一方面，隧道口内外一定范围内，钢轨温度纵向存在着明显的非线性分布，导致钢轨 与路基或隧道之间也存在着非线性相互作用。加之环境温度的时变特性，系统各结构之间 的非线性行为更加复杂。
[0003] 在温度的反复作用下，隧道口钢轨将发生横向变形甚至屈曲破坏，直接威胁列车 运行安全。近年来，我国青藏线和川藏线部分隧道口钢轨已出现了碎弯现象，引起了工务部 门的广泛关注，研究桥隧过渡段温度作用下轨道结构的变形规律有其必要性。
[0004] 目前，在进行无缝线路稳定性分析时，往往采用规范建议的统一稳定性计算公式， 但无法考虑桥梁结构变形的影响；在进行桥上无缝线路稳定性分析时，往往采用假设钢轨 初始弯曲服从三角函数分布，通过修改钢轨初始坐标模拟钢轨初始缺陷。事实上，由于各构 件之间存在着相互影响和相互制约，在进行桥隧过渡段无缝线路稳定性分析时，必须建立 综合考虑桥梁-路基和隧道以及有砟轨道细部结构的系统仿真模型。在施加钢轨初始缺陷 时，必须从系统的角度来看，寻找钢轨的薄弱位置，参照屈曲模态施加。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的技术问题是克服现有分析方法的不足，提供一种考虑周全、计算 合理、能够贴近实际情况的桥隧过渡段无缝线路稳定性分析方法。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明提出一种极端温度条件下桥隧过渡段无缝线路稳定 性分析方法，包括以下步骤：
[0007] (1)建立桥隧过渡段无缝线路完整模型，其中，钢轨、轨枕、桥梁采用梁单元模拟， 扣件纵横向阻力、道砟纵横向阻力采用非线性弹簧模拟，墩顶抗推刚度采用线性弹簧模拟， 路基填充层、隧道部分采用实体单元模拟；
[0008] (2)通过整体模型屈曲模态分析对轨道结构施加初始弯曲；
[0009] (3)针对极端气象温度特征对模型施加纵向非线性温度荷载，以此研究桥隧过渡 段无缝线路横向变形规律。
[0010] 优选地，步骤（1)中的扣件纵横向阻力、道砟纵横向阻力的非线性约束参数按照 现行规范或实测结果取值。
[0011] 优选地，步骤（1)中，桥梁梁单元的梁体中性轴至桥面和至支座的距离采用刚臂 单元模拟，刚臂刚度取为主梁刚度的40倍。
[0012] 优选地，步骤（1)中隧道实体单元依照实际结构进行模拟或仅模拟出隧道衬砌即 可，模拟长度取为20m。
[0013] 优选地，步骤（2)中施加初始弯曲时，对系统第一阶模态各节点变形进行调幅，最 大幅值取为〇. 45m的1/1000。
[0014] 优选地，步骤（3)中的纵向非线性温度荷载采用二次曲线模拟，隧道口内外各取 10m模拟。
[0015] 优选地，步骤（1)中扣件纵向阻力按下式取值：
[0017] 其中，扣件纵向阻力r，单位为kN，钢轨与轨枕间的纵向相对位移X，单位为_。
[0018] 优选地，步骤（1)中扣件横向阻力按下式取值：
[0020] 其中，扣件横向阻力rH，单位为kN，钢轨与轨枕间横向相对位移X，单位为mm。
[0021] 优选地，步骤（1)中道砟纵向和横向阻力采用理想弹塑性模型，按下式计算：
[0023] 其中，r表示阻力，单位为kN/m，u为桥梁和轨枕间的相对位移，单位为_。
[0024] 优选地，步骤（3)中的纵向非线性温度荷载采用表达式拟合为二次曲线：
[0025] T = 0. 07x2+0. 9x+5
[0026] 其中T为钢轨应施加的温度，单位为°(：，x为距离隧道口的距离，单位为m。
[0027] 与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0028] 1、将轨道、桥梁、路基和隧道视为一个有机系统，研究系统的受力及变形规律；
[0029] 2、充分考虑了轨道、轨枕、桥梁之间的非线性特征；
[0030] 3、采用系统模型屈曲模态来施加钢轨初始缺陷，便于明确钢轨薄弱节点的位置及 钢轨受力后的变形特征。
[0031] 4、模型结构清晰，便于程序实现。
【附图说明】
[0032] 图1是本发明中桥隧过渡段无缝线路稳定性分析模型立面示意图。
[0033] 图2是本发明中桥隧过渡段无缝线路稳定性分析模型平面示意图。
[0034] 图3是本发明实施例中采用隧道口 20m内钢轨纵向温度分布曲线。
[0035] 图例说明：
[0036] 1、第一梁单元，2、第一非线性弹簧，3、第二梁单元，4、第二非线性弹簧，5、第三梁 单元，6、线性弹簧，7、第一实体单元，8、第二实体单元。
【具体实施方式】
[0037] 以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0038] 本实施例极端温度条件下桥隧过渡段无缝线路稳定性分析方法包括如下步骤。
[0039] 步骤一：建立钢轨单元结构
[0040] 钢轨采用三维第一梁单元1模拟，轨道单元长度取为扣件间距，除桥梁范围外路 基上建立100m钢轨，桥梁与隧道之间建立20m路基上的钢轨，隧道内钢轨长度取为20m，另 一侧隧道外建立l〇〇m钢轨。
[0041] 步骤二：建立轨枕
[0042] 轨枕采用三维第二梁单元3模拟，轨枕截面尺寸、长度和分布间距按照实际取值。
[0043] 步骤三：建立钢轨和轨枕之间的非线性约束
[0044] 钢轨和轨枕之间采用扣件连接，扣件纵向阻力参考现行规范按下式取值：
[0046] 其中，扣件纵向阻力r，单位为kN。钢轨与轨枕间的纵向相对位移X，单位为_。
[0047] 扣件横向阻力参照试验结果，按下式取值：
[0049] 其中，扣件横向阻力rH，单位为kN。钢轨与轨枕间横向相对位移X，单位为mm。
[0050] 钢轨和轨枕之间设置竖向位移耦合。扣件纵向横向弹簧采用第一非线性弹簧2模 拟。
[0051] 步骤四：建立桥梁单元
[0052] 梁体采用三维第三梁单元5模拟，截面特性按照结构实际情况设置，单元长度与 钢轨单元长度一致。在梁体单元上共节点设置上下刚臂。刚臂刚度取为桥梁刚度的40倍。 上刚臂长度取为梁体中性轴至桥面的距离。下刚臂仅